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碳纤维产业发展:必须跨过的几道坎

来源:peek板材供应商-恒鑫实业    作者:PEEK板材加工
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2014年7月5日,我国拥有自主知识产权的全复合材料涡桨公务机“领世AG300”飞机在珠海首飞成功。据悉,该机机体全部采用先进的碳纤维复合材料制造。而在不久前,我国另一款广泛应用了高性能碳纤维的新型号飞机也成功首飞。业内人士表示,随着国产碳纤维在飞机上的成功应用,我国碳纤维在高端市场的应用也将逐渐打开。

随着技术的持续进步,国产碳纤维的应用市场不断扩大。碳纤维不仅在航空器领域实现成功应用,在汽车领域的应用也取得进展。由中国科学院宁波材料技术与工程研究所与奇瑞汽车联合打造的碳纤维插电式混合动力“艾瑞泽7”车型在2014年北京国际车展上亮相。该款车型车身采用碳纤维复合材料,外壳重量减轻10%,油耗降低7%。

根据有关机构预计,未来随着工业的不断发展,工业用碳纤维的总量将有大幅增加。2019年工业领域对碳纤维的需求有望提高至75%。到2030年,我国碳纤维需求量将达到30万~50万吨。

虽然业内外人士均看好碳纤维产业的发展前景,但国内原丝和碳纤维生产企业普遍处境艰难,从几家涉及碳纤维业务的上市公司的业绩可以窥见一斑。

然而,在国际市场,碳纤维产业的竞争已经进入到了白炽化阶段。与国外巨头相比,我国碳纤维生产技术差距明显。要想让巨大市场需求变为实在效益,国内企业在提升生产技术、提高产品性能的同时,还必须跨过许多坎。 

专家分析认为,导致国内碳纤维企业基本处于全线亏损状况的主要因素有三方面:

一是产品质量不稳定,上下游衔接不畅。目前国产碳纤维质量波动较大,难以与进口产品竞争。同时与下游应用结合也不够紧密。

二是生产成本偏高,市场竞争力较差。国内碳纤维生产企业T300的单线最高产能是1000吨(12K),生产运行速度慢、运行工位少、装备保障能力弱、实际产量低、产品均匀性和稳定性差,导致国内产品生产成本高、市场竞争力差。

三是受到国际行业巨头低价倾销和恶意竞销的影响。近几年,国际市场对我国销售碳纤维产品的价格呈下降趋势。业内人士认为,国外产品价格大幅下降并不正常,其背后隐藏着打压我国碳纤维产业的深刻动机。

中复神鹰碳纤维有限责任公司董事长张国良表示,目前我国碳纤维企业面临的主要问题:一是资金压力大。企业是碳纤维技术创新的主体,但碳纤维技术成熟度不高,需要持续的技术研发创新,必然带来资金压力。二是生产成本高。不断上升的人力成本、设备维修保养升级成本,加上碳纤维生产中的较高的电耗,都推高了生产成本。三是市场不稳定。国外碳纤维巨头用高性能碳纤维赢利来弥补通用级碳纤维亏损,对中国碳纤维进行降价打压,国产碳纤维价格处处受制于人。

山东大学碳纤维复合材料研发中心主任朱波认为,碳纤维装备技术缺乏创新,引进设备投资居高不下,也是造成我国碳纤维生产成本高的一个重要原因。据了解,国产碳化炉采用仅能允许在1400℃以下温度使用的碳化硅作为发热体,高温环境下碳化硅抗负荷强度低,不能制作大尺寸工业规模碳化炉,无法实现1500℃的最佳工艺。国外采用高纯石墨材料1800℃以上的高温碳化炉严格限制对我国的出口,中等规模的高温碳化炉进口价格高,导致国产碳纤维的建设成本过高。

技术提升才能成本下降

从全球来看,碳纤维发展的主要目标是低成本生产以便更多地应用在汽车等新领域。对国产碳纤维来说,要提高市场竞争力,必须降低生产成本。

对此,北京化工大学国家碳纤维工程技术研究中心主任徐樑华建议,碳纤维生产企业应发展新技术改造已建生产线,对传统技术实施二次集成创新,通过优化工艺、提升装备、降低能耗来实现技术升级、产品质量稳定、经济效益提高的目标。

张国良认为,要降低生产成本一种解决途径是降低原丝生产成本和发展新型碳纤维前躯体:改进原丝生产工艺;试探采用PAN外的其他材料用作制备高性能碳纤维的原丝;通过改进聚合单体和聚合技术,实现在聚合阶段就能形成具有与预氧化纤维相同结构的前驱体。

另外,应发展新的预氧化、碳化和石墨化技术:发展新型预氧化技术,缩短预氧化时间;降低碳化、石墨化成本,发展微波技术;自主研发设计节能高效的碳化设备。

据东华大学研究院副院长余木火教授介绍,碳纤维低成本化技术的发展目标是每千克生产成本降到5~8美元。在碳纤维的成本构成中,原丝占50%,氧化碳化占50%。目前碳纤维低成本化采用的技术主要包括大丝束,水相沉淀聚合——干喷湿纺工艺,用民用腈纶工程生产碳纤维技术等。碳纤维低成本化原丝新技术包括采用木质素原料制成木质素—PAN共混原丝,熔体纺丝法制备碳纤维及其木质素原丝,高粘度PAN溶液干喷湿纺等。在氧化碳化低成本化方面主要是采用快速氧化碳化技术(分散或降低环化热),提高氧化速度,提高能源利用率。

据余木火教授介绍,东华大学研发出了以增塑熔体纺丝法制备PAN—木质素碳纤维原丝的新技术。新方法成本在80元/千克以下,其纺丝速度达到500米/分钟~1000米/分钟,制备的原丝强度高、微缺陷少,有望制备高性能碳纤维。熔体纺丝技术还具有工艺成熟,设备投资小;增塑剂回收量少;原丝氧化碳化速度可提高2倍以上等优点。目前正在建设100吨中试实验线,并筹备建设5000吨原丝生产线。这项技术将为碳纤维低成本化带来新途径。

延伸阅读:车用碳纤维复材需求激增,国内企业该如何把握?

责任编辑:Kris

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